離心機

離心機（centrifuge）離心力作為驅動力來實現懸浮、分離或濃縮乳液和其他材料的機器。它具有結構緊湊、體積小、分離效率高、它具有生產能力大附屬設備少的優點，在資源開發中得到廣泛應用、石油化工生產工藝及三廢處理等。

1836年，第一臺工業三足離心機在德國問世20世紀二三十年代，瑞典和美國先后發明了超高速離心機和土工離心機，隨后在20世紀五七十年代，世界各國相繼發明了盤式活塞除渣機、載人離心機和變頻電機驅動的離心機已經進入21世紀，德國、俄羅斯和其他國家在載人離心機領域取得了一些進展。中國也在20世紀50年代末開始研制離心機從20世紀60年代到90年代，中國的各種科研機構相繼開發了不同的模型、不同種類的離心機，如載人離心機、土工離心機等。進入21世紀，中國正在研制變頻離心機、復合離心機、大型土工離心機等領域也達到世界先進水平。

離心機的基本結構通常包括驅動系統、離心室、轉頭等。離心機利用離心力來分離材料離心機種類繁多，按分離方式可分為過濾式離心機、分離離心機和沉降離心機。根據分離因子，可分為恒速離心機、高速離心機、超高速離心機。根據運行方式的不同，可分為間歇式離心機、連續式離心機。在離心機行業，中國 美國本土品牌非常有限，而國際約克、開利、特靈、麥斯威爾等品牌仍然占據著絕對的市場份額。但是中國北京、山東、湖南等地生產的離心機品牌在國際離心機中的市場份額逐漸擴大。隨著科技的進步，離心機正在向高速化發展、大型化、自動化等方向發展迅速。

國際發展

1836年，第一臺工業三足離心機在德國問世，同年，出現了棉花脫水機。

1878年，瑞典的古斯塔夫·德·拉瓦爾（Gutav Delaval）本發明的離心奶油分離器。它可以更快更有效地轉移乳脂（奶油）從牛奶中分離出來，從而徹底改變了乳制品和黃油工業。

1924年，瑞典化學家斯韋德伯格（veber）發明了超高速離心機，轉速可達每分鐘8萬轉以上，極大地促進了蛋白質化學的研究。1926年，魏德伯格還因發明超高速離心機和發現血紅蛋白而獲得諾貝爾化學獎。

1931年，哥倫比亞大學發明了第一臺具有科學實驗意義的土工離心機。此后，科學實驗用離心機在美國存在了漫長的一個世紀、德國、日本等國家問世。

20世紀50年代，自動排渣圓盤式活塞除渣機研制成功，60年代發展成為完善的系列產品。

從20世紀60年代到70年代，無線電探空儀工程開始活躍起來，其目標是飛機零件和整個衛星的航空、空間物體離心機正在悄然興起。首先是在美國無處不在的空軍、海軍學校等部門設置了各種裝置進行穩態加速模擬實驗。

20世紀70年代末，美國貝克曼公司率先將變頻電機引入自己的系列離心機、微機控制、數字顯示、觸摸開關等一系列當時世界上最先進的技術。

1984年，國際上成立了離心技術委員會，1984年，、1988年、1991年、1994年召開了一次大型國際會議。

1984年，俄羅斯建造了TF-18載人離心機，轉臂長度18m，最大加速度30g，加速度變化率5g/配備有三個駕駛艙的美國航天飛機可以用來訓練宇航員、醫學研究、控制降落等。俄羅斯建造的宇航員水下訓練中心是世界上最先進的載人離心機之一。

日本土木工程研究所，1997年（PWRI）建造了一個長三角帆、大加速度、而且帶振動臺的離心機代表了當時日本離心機的前沿水平。

自2005年以來，奧地利金屬系統技術有限公司（簡稱AMT）先后為德國、俄羅斯、印度、新加坡、波蘭等國已成功研制出7臺HTC系列載人離心機。

中國發展

1958年，北京衛星環境工程研究所前身為中國科學院581團、上海機電設計院、原長江水利水電研究院自主啟動太空離心機、載人離心機和土工離心機的發展。

1962年和1967年，中科院581組（北京衛星環境工程研究所的前身）分別開發了第一代中型、大型物體離心機獲得了我國大型物體離心機研制的第一名，隨后又陸續研制出第二代、第三代出口對象離心機。

1965年，原上海機電產品設計院研制出中國第一臺載人離心機。同時，中國工程物理研究院總體工程研究所成功研制了核武器環境試驗系統“亞洲一號離心機”

1968年，中科院581組為中國航天員科研訓練中心的前身研制了超大型人、物兩用離心機。

1983年，長江科學院建成了當時國內最大的土工離心機，為我國離心機的發展和創新奠定了重要基礎。

1986年，中國科學院581團為北京水電研究總院巖土工程研究所研制了大型土工離心機。

1991年，北京衛星環境工程研究所成功研制了一顆450克的衛星-T 美國土工離心機的一些性能已達到世界先進水平。

1992年，中國直升機研究所研制成功NHRI-400g-t土工離心機

1997年，復合常規離心機的核心技術被中科院攻克，并研制成功用于加速模擬試驗、離心力-氣動力和離心力-氣動力-溫度和其他綜合測試“二號離心機”

自2000年以來，中國工程物理研究院承擔了我國大型常規試驗離心機的研制工作，并先后承擔了TLJ-200，TLJ-150，ZJU-400，TLJ-500等一系列不同規格土工離心機的研制代表了我國在該領域的先進水平。

2002年，香港科技大學建造了400g-雙向振動臺試驗大型土工離心機、四維機械手、網絡數據采集和處理功能。

2006年，同濟大學建造了國內第一臺大型復合離心機，項目建成后被稱為“中國離心機發展的里程碑”確立了其在中國離心機開發領域的先進地位。

2006年，美的集團研發出中國第一臺變頻離心機組。

2011年12月，格力中央空調經過幾代人的潛心科研，自主研發出雙級高效永磁同步變頻離心式冷水機組，這是當時世界上最先進的DC變頻離心式冷水機組。

2012年，中國工程物理研究院研制成功新一代戰斗機救生設備產品測試系統“動態負荷模擬系統”其性能已達到高性能載人離心機的指標要求。

2013年9月，中國工程物理研究院總體工程研究所向成都理工大學交付了TLJ-500型土工離心機是當時國內容量最大功能最全的大型土工離心試驗設備，其離心機振動系統是當時世界上最先進的離心機機載振動臺之一該離心機的研制成功，不僅填補了我國大型土工試驗離心機的空白，也標志著我國大型離心機研制技術邁上了一個新臺階。

離心機有多種類型，但離心機的結構通常包括驅動系統、離心室、轉頭、冷凍系統、真空系統、操作系統。

驅動系統

驅動系統是離心機的心臟，是為離心機提供動力的重要組成部分。驅動系統主要由電機和轉軸組成。馬達提供離心旋轉速度，該速度通過皮帶傳遞到旋轉軸。旋轉軸是支撐轉子鐵芯并輸出扭矩的部件軸的延伸端銑有鍵槽，用于固定傳送帶輪或聯軸器。我國離心機最常用的驅動方式是雙電機結構，即一臺電機（通常是變頻電機）滾筒由傳動帶直接帶動旋轉，另一臺電機由減速器帶動（差速器）驅動螺旋。對于臥螺離心機的雙電機驅動，一種方法是用普通變頻器驅動輔助電機，再生能量以熱能的形式消耗在制動電阻上；另一種方法是使用帶有能量反饋單元的專用變頻器驅動，該變頻器可以將再生的電能送回交流電網。

除了上面提到的驅動模式外，還有液壓驅動模式。液壓系統由馬達組成、液壓變量泵、液壓馬達、油箱、冷油器、濾油器和相應的管道等。它的工作原理是電機驅動液壓泵，液壓泵的入口與油箱相連，液壓泵的出口與液壓馬達的入口相連，為液壓馬達提供能量液壓馬達裝有大皮帶輪，通過皮帶傳動將動力傳遞給小皮帶輪，小皮帶輪驅動離心機轉鼓旋轉。

離心室

離心室（轉頭室）它是一個用于放置離心機轉子的圓柱形空腔，可以放置多個轉子。離心艙的內壁由不銹鋼板制成，并且在離心艙的內壁和外壁之間設置有隔熱材料的絕緣層，以控制離心艙的溫度并確保其處于真空狀態、低溫下高速旋轉，這種結構可以防止頭部爆炸傷害人體。

轉頭

旋轉頭是放置離心管并進行離心的地方。車削頭分為角度車削頭（Fixed angle rotor）甩平轉頭（wing-another）垂直轉頭（Vertical rotor）等。不同轉子的轉速和所用離心管的容量不同。

冷凍系統

制冷系統通常由壓縮機組成、冷凝器、膨脹閥、蒸發器等部件，制冷系統的作用是降低離心室的溫度。離心機冷卻系統分為空氣冷卻和水冷卻空冷系統投資較大，大多采用水冷塔。離心冷卻塔在冷卻高溫空氣方面有兩個缺點：第一，投入成本高，回收效率低，使用壽命短，回收期長；第二，它占地面積大，其安裝受到一定空間的限制。

配備這種裝置的冷凍離心機大多用于醫療領域，包括低速冷凍離心機和高速冷凍離心機。高速冷凍離心機的轉速可達10000轉/Min或更高，除了冷凍離心機的性能和結構外，所用的角轉子大多由鈦合金或鋁合金制成。離心管是帶蓋的聚乙烯硬塑料制品。這些離心機大多用于收集微生物、細胞碎片、硫酸沉淀和免疫沉淀等。帶制冷系統的落地式低速離心機，即低速大容量冷凍離心機，可用于采集需要低溫條件的樣品，如采血。

真空系統

由于離心過程中高速旋轉，氣流會影響轉子的穩定性，因此需要用真空泵對離心機進行抽真空。離心式真空泵由離心式壓縮機發展而來，其單級壓比通常小于5，并可多級串聯以獲得較寬的真空范圍由于其泵送原理，其泵送能力只能在大流量條件下使用。當葉輪高速旋轉時，氣體隨之旋轉在離心力的作用下，氣體被拋入后面的擴散器中，在葉輪處形成真空區此時，來自外部的新鮮空氣進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷被吸入和甩出，從而保持氣體的連續流動。當氣體流經離心真空泵的葉輪時，高速的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力增大，另一方面速度大大提高，即離心真空泵首先通過葉輪將原動機的機械能轉化為氣體的動能和靜壓能。之后，當氣體流過擴壓器時，通道的橫截面逐漸增大，前面的氣體分子速度減小，后面的氣體分子繼續向前流動，從而使氣體的大部分動能轉化為靜壓能，進一步起到增壓的作用。

操作系統

現代離心機配備了操作系統，該系統是控制機器操作的部分，包括電源開關（power）速度控制器（peed）時間控制器（timer）溫度控制器（temperature）真空控制器（vaccum）剎車控制器（braker）以此類推，控制離心機的溫度、啟動、加減速、定時、停止等操作。

離心機是基于物質的沉降系數、質量、密度和其他差異，通過旋轉產生離心力來分離液相非均質混合物、濃縮和提純。因此，離心機的基本工作原理是采用機械方法改變密度、將不同形狀和大小的混合物置于一定的力場中，混合物的不同相在力場中受到不同的力，以獲得較大的相重差，使其分離離心效果主要受以下因素影響：

固液相對密度差；顆粒的大小和形狀；沉降介質的粘度。

離心機的加速度可以用下面的公式表示：

RCF=1.119×10-5n2rRCF指的是相對離心力（或“g值”通常是在重力加速度下（g=9.80m/2）的倍數表示。n代表轉子的轉速（單位為r/min），r代表旋轉半徑（單位為cm）

分離方式

根據分離方法的分類，離心機可分為過濾式離心機、分離離心機和沉降離心機。

過濾式離心機：過濾離心機通常用于分離高固體含量和大顆粒的懸浮液。過濾離心機的轉鼓由擋板組成、鼓壁和鼓底組成。轉鼓壁上有孔，濾布貼在轉鼓內壁上，通過離心力實現過濾和分離操作。其轉速一般為1000 ~ 1500轉分。

離心機

當轉鼓旋轉時，在離心力的作用下，液體中所含的固體顆粒被截留在過濾介質的表面，形成濾渣層，而液體則滲透到濾渣層中、過濾介質和桶壁上的小孔被甩出，從而實現固體顆粒與液體的分離。這種離心機包括頂置離心機、臥式刮刀卸料離心機、三足式離心機、活塞推料離心機等。

分離式離心機：

分離離心機的轉鼓壁上沒有孔，有兩種類型分離型和澄清型，分別適用于乳化液和懸浮液的分離。當乳化液和懸浮液在轉鼓的帶動下高速旋轉時，在離心力的作用下，液體根據不同的密度分為兩層，密度較高的在外層，密度較低的在內層，然后它們被分別引出，固相在轉鼓壁上下沉并間歇排出。這種離心機包括管式離心機、碟式離心機。

沉降式離心機：沉降離心機的筒壁沒有孔，沉降分離是靠離心力實現的，多用于不易過濾的懸浮液。沉降離心是基于不同懸浮密度的組分在離心力場中快速沉降分層，從而實現液固分離的原理。

當轉鼓旋轉時，在離心力的作用下，固體顆粒由于密度大于液體而沉降到轉鼓壁上，形成沉淀物，而留在內層的澄清液體則通過轉鼓上的溢流口排出。這種離心機包括管式分離器、碟式離心機、螺旋卸料離心機等。

分離因數

根據分離系數，離心機可分為恒速離心機、高速離心機和超高速離心機。

常速離心機：也被稱為低速離心機lt3000轉，轉速低于8000轉分，相對離心力(RCF)104g以下，主要用于分離細胞、細胞碎片和培養基殘留物等固體物質、粗晶體和其他大顆粒。

高速離心機：高速離心機的Kc在300050000之間，相對離心力在1×1041×105g之間，主要用于分離各種沉積物、細胞碎片和較大的細胞器等。為了防止高速離心過程中因溫度升高而使酶等生物分子變性和失活，一些高速離心機配備了冷凍裝置，稱為高速冷凍離心機。

超高速離心機：超高速離心機的KC大于KC50000，精度很高為了防止樣品液體從超高速離心機中噴濺出來，通常會附加一個離心管帽；為了防止溫度上升，所有這些離心機都有冷凍裝置和溫度控制系統；為了減少空氣阻力和摩擦，提供了真空系統。

運行控制

根據運行方式的不同，離心機可分為間歇式離心機和連續式離心機。

間歇式離心機：加料、分離、洗滌和卸渣過程是通過人工或機械方法進行的間歇操作，有三種類型的離心機高架離心機和三腳架離心機。其中，三足離心機是世界上最早的離心機，其主要部件是底盤、安裝在底盤上的外殼主軸和轉鼓通過三個擺桿懸掛在三個支柱的球形座上，離心機轉鼓支撐在裝有緩沖彈簧的桿上，以減少進料或其他原因造成的沖擊。三足離心機有兩種類型過濾型和沉降型。上部懸浮離心機避免了三足離心機的下部傳動、對于上部卸載引起的問題，采用上部傳動、下出料結構可用于過濾和沉淀分離。

連續式離心機：加料、分離、洗滌和卸渣過程是間歇的或連續的。典型的連續離心機是螺旋卸料沉降離心機、活塞推料離心機和盤式離心機等，可用于固體—液懸浮液和液—液乳濁液的分離。其中，螺旋卸料離心機的最大分離因子可達6000，工作溫度可達300℃，工作壓力一般為常壓，適用于處理粒徑為2 ~ 5 μ m的顆粒、固體含量1%～50%的懸浮液。

離心技術

離心技術是將含有微小顆粒的懸浮液放入離心機中，利用離心轉子高速旋轉產生的強大離心力，根據密度差或質量差來分離懸浮的顆粒它是生命科學研究中的常規技術，經常用于分析蛋白質和其他生物大分子、細胞器、細胞。常用離心方法有：

差速離心：利用相同離心條件下不同顆粒沉降速度的差異，分級提高離心速度，使懸浮液內徑增大、不同密度顆粒的分級沉降常用于分離細胞器。

區帶離心：離心前，在離心管中注入密度梯度介質，密度最低在頂部，密度最高在底部，梯度介質的最高密度低于樣品顆粒的最低密度。將懸浮液鋪展在梯度介質的頂部。離心一定時間后，懸浮液的內徑、不同密度的粒子在梯度介質中被分離成梯形條帶。

等密度離心：原理與區帶離心相同，但梯度介質底部的最高密度高于樣品顆粒，梯度介質頂部的最低密度低于樣品顆粒。將懸浮液鋪展在梯度介質的頂部。經過長時間的離心分離，樣品顆粒形成一個浮力密度相等的階梯狀條帶，即根據不同的顆粒密度進行分離。

離心沉降技術

它是利用流體和固體在慣性離心力場下的密度差，將固體顆粒從流體中分離出來的技術。離心沉降技術的原理和重力沉降完全一樣，只是場力不同。利用顆粒圓周運動時的離心力，可以大大提高沉降速度并加速沉降過程。

早在19世紀，離心機就被用于工業生產起初，離心機主要用于牛奶分離、隨著時代的發展，離心機在化學工業中得到了廣泛的應用、醫學、食品加工和水處理等許多領域。

石油化工領域

離心機在石油化工行業也發揮著重要作用。石油工業生產中產生的廢水和廢油往往含有一定量的原油，傳統的過濾設備往往不能過濾不能因濾布或過濾帶堵塞而運行，而離心機由于其特殊的結構，可以很容易地用少量的其他設備實現連續運行、穩定運行。脫水脫油渣相加熱可回收原油，實現無害化處理。在分離原油和天然氣混合物的過程中，離心壓縮機軸帶動葉片，葉片帶動天然氣在慣性作用下做離心運動當天然氣通過葉輪和擴壓器的狹窄區域時，天然氣的流向發生180度的改變，使天然氣的一部分動能轉化為天然氣的壓力勢能，經過多級轉化后從出料口排出離心機。

醫學和生命科學

離心機可用于細胞、原生質體等活細胞的分離也可用于培養細胞器、核酸和蛋白質的分離和提取。根據分離物質的不同，配置不同類型的離心機。低速離心機通常用于分離細胞、原生質體和其他活細胞；高速冷凍離心機可用于分離核酸、蛋白質；大規模生產二次產品需要大型離心分離系統。

食品與飲料行業

過濾離心機主要適用于固體濃度較高的溶液、固體顆粒的粒徑大（通常大于50 μ m）懸浮液的分離和脫水。過濾離心機廣泛應用于食品工業，典型的應用實例是蔗糖晶體的分離和精制、脫水蔬菜的預脫水、淀粉脫水、血塊去血水、水果蔬菜榨汁、冷凍和濃縮過程中植物蛋白的回收和冰晶的分離。

環保領域

離心機也廣泛應用于環保領域。離心機種類繁多，其中中低速旋轉離心機在污泥脫水中應用最為廣泛。污泥通過空心軸不斷進入轉鼓，轉鼓帶動污泥高速旋轉，在離心機的作用下向轉鼓壁運動，實現污泥與水的分離。螺旋輸泥機與滾筒同向旋轉，但速度不同，使輸泥機的螺旋刮板相對滾筒旋轉，將泥餅從左端推向右端，最后從出泥口排出，而澄清水則從另一端的排水口流出。